侯宏錄　齊晶晶　黃釘勁

摘要： 針對(duì)管道結(jié)垢引起的設(shè)備腐蝕問(wèn)題，在分析現(xiàn)有防垢除垢方法的基礎(chǔ)上提出了一種由可變頻方波信號(hào)控制的電磁防垢除垢電路解決方案。系統(tǒng)由AVR單片機(jī)產(chǎn)生方波信號(hào)，利用光耦合器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同驅(qū)動(dòng)電路的隔離，微弱電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路放大，驅(qū)動(dòng)管道外圍線(xiàn)圈產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)。在電磁場(chǎng)作用下，污垢離子脫離管道內(nèi)壁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可產(chǎn)生占空比為50%，頻率從0 Hz～6 MHz連續(xù)變頻輸出的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率為72 W，具有防垢除垢效率高、使用范圍廣、易安裝、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 方波； 變頻； 電磁場(chǎng)； AVR單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 712文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.016

An electromagnetic device with frequency conversion for

fouling control and removal

HOU Honglu， QI Jingjing， HUANG Dingjin

（School of Optoelectronic Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： A kind of circuit based on square wave is designed to solve the problem of equipment corrosion caused by fouling in the pipeline. The square wave with variable frequencies is generated by AVR micro controller unit. After being processed through the driving circuit， the electricity signal driving the coil produces a magnetic field. Under the effect of electromagnetic， dirt ion is removed from the pipe wall. Experimental results demonstrate the square wave with the frequency conversion from 0 Hz to 6 MHz. The duty ratio is fifty percent and the driving power is 72 W. The equipment has high efficiency and wide applications and is easy to installation. Besides， the power consumption is low.

Keywords： square wave； frequency conversion； electromagnetic field； AVR micro controller unit

引言日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中水垢現(xiàn)象非常普遍，如不加以預(yù)防處理，危害極大。傳統(tǒng)的化學(xué)除垢方法雖效果明顯，但由于引入了其他有害雜質(zhì)，且化學(xué)藥劑本身存在著安全隱患，因而，不適合于人類(lèi)日常生活中管道的防垢與除垢。物理除垢是用聲、光、電、磁等技術(shù)及其相應(yīng)設(shè)備來(lái)改變水中各種離子和分子的運(yùn)動(dòng)狀況，實(shí)現(xiàn)除垢、防垢的目的，由于其具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)因而引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。目前，常用的物理防垢除垢方法有超聲波處理法，磁化處理法，靜電場(chǎng)處理法以及電磁場(chǎng)除垢法[2]。超聲波防垢除垢需要復(fù)雜的超聲波發(fā)生裝置，磁化處理法的磁場(chǎng)穩(wěn)定性差，靜電場(chǎng)處理法需要額外電能產(chǎn)生電場(chǎng)，而電磁場(chǎng)除能夠有效除垢防垢外，還能對(duì)水質(zhì)起到殺菌、滅藻的作用。本文基于電磁場(chǎng)除垢機(jī)理，將頻率連續(xù)變化的電信號(hào)送入纏繞在管道上的漆包線(xiàn)圈，產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)。在電磁場(chǎng)作用下，污垢離子脫離管道壁，實(shí)現(xiàn)防垢除垢目的。1變頻電磁防垢除垢機(jī)理水垢的主要成分為碳酸鈣和碳酸鎂。水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成，通常80%的水分子以氫鍵締合成水分子團(tuán)的形式存在，這種水分子團(tuán)對(duì)碳酸鈣的溶解度較低，使水垢很容易析出，并附著在管道內(nèi)壁。當(dāng)電磁場(chǎng)振動(dòng)頻率同水分子自然頻率相同時(shí)將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使氫鍵斷裂，水分子變成單個(gè)極性水分子。該微小水分子可滲透、包圍、溶解水系統(tǒng)中形成的垢層，同時(shí)使懸浮在水中的鈣離子和鎂離子形成特殊的文石碳酸鈣晶體，其表面無(wú)電荷，無(wú)法在管道上吸附[35]。不同環(huán)境下水溫、硬度、黏度、pH不同，其共振頻率也不相同。變頻電磁防垢除垢系統(tǒng)可產(chǎn)生頻率不斷變化的電磁場(chǎng)，不同條件下的水分子與頻率不斷變化的電磁場(chǎng)產(chǎn)生共振，達(dá)到防垢除垢的目的。光學(xué)儀器第37卷

第2期侯宏錄，等：一種防垢除垢的變頻電磁場(chǎng)發(fā)生裝置

2變頻電磁防垢除垢系統(tǒng)方案理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方波信號(hào)的防垢除垢效果較之其他信號(hào)更為明顯。原因在于：首先，方波的變化更為劇烈，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能對(duì)水中的離子和分子產(chǎn)生較大的擾動(dòng)；其次，方波信號(hào)含有豐富的諧波成分，使水分子團(tuán)與外加電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)共振的機(jī)率更大[4]。因此本系統(tǒng)選用30 min內(nèi)頻率從0 Hz～6 MHz連續(xù)變化的方波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)以72 W的輸出功率驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要由AVR單片機(jī)ATmega16、按鍵控制模塊、串口通信模塊、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路及線(xiàn)圈組成。按鍵開(kāi)啟后系統(tǒng)上電，AVR單片機(jī)產(chǎn)生兩路PWM波信號(hào)[67]，由于AVR

圖1電磁除垢防垢系統(tǒng)原理框圖

Fig.1The diagram of electromagnetic prevention and

foulingremoval system

圖2電源模塊原理圖

Fig.2The diagram of power module

單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)其負(fù)載能力低，不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載線(xiàn)圈，需要利用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)AVR單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)加以放大。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，AVR單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)計(jì)光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離[89]。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)放大并傳輸至線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)。串口通信模塊將AVR單片機(jī)PWM波信號(hào)參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)，供工作人員配置波形參量。3變頻電磁防垢除垢系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1電源模塊整個(gè)系統(tǒng)外部輸入36 V直流作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，采用LM2576電源芯片將其轉(zhuǎn)換為5 V直流后為AVR單片機(jī)、串口通信電路、ISP下載電路、光耦隔離電路供電。圖2為電源模塊原理圖。輸入端旁路電容C1選擇470 μF的鋁電解電容防止出現(xiàn)大的瞬間電壓。輸出端續(xù)流二極管選擇開(kāi)關(guān)速度快、正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管，儲(chǔ)能電感有高的通流量，C2選擇470 μF鉭電容用于輸出濾波以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性。

3.2基于AVR單片機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)圖3為ATmega16單片機(jī)工作最小系統(tǒng)，通過(guò)配置代碼，單片機(jī)輸出端口PD4、PD5產(chǎn)生兩路相位相反的PWM波[6]。

圖3單片機(jī)工作最小系統(tǒng)

Fig.3Micro controller unit system

ATmega16作為主控芯片，其外圍電路包括晶振、復(fù)位電路、ISP下載電路、串口通信電路。選用12 MHz晶振為單片機(jī)提供工作時(shí)鐘。單片機(jī)程序運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可由復(fù)位電路恢復(fù)處理器至初始工作狀態(tài)。ISP下載電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的程序燒寫(xiě)。對(duì)于AVR單片機(jī)，當(dāng)RESET為低電平時(shí)，可以通過(guò)串行SPI接口對(duì)其片內(nèi)的Flash程序存儲(chǔ)器進(jìn)行在線(xiàn)編程。配置代碼時(shí)，PC機(jī)與AVR單片機(jī)屬于主從關(guān)系，PC機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。主機(jī)發(fā)出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)MOSI引腳傳入從機(jī)，由從機(jī)返回的數(shù)據(jù)經(jīng)MISO引腳傳向主機(jī)。SCK為串行時(shí)鐘脈沖，由主機(jī)發(fā)往從機(jī)，主機(jī)通過(guò)SCK脈沖控制與從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。AVR單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送給上位機(jī)，檢測(cè)人員判斷方波信號(hào)的頻率、占空比及高低脈沖寬度是否符合要求。單片機(jī)輸出為T(mén)TL/COMS電平，該電平規(guī)定邏輯0電平為0 V，邏輯1電平為5 V，計(jì)算機(jī)采用負(fù)邏輯的RS232電平，規(guī)定邏輯0電平為3～15 V，邏輯1為-15～-3 V，所以計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間通訊時(shí)需加MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。

圖4光耦隔離電路

Fig.4Opticalcoupling isolation circuit3.3光耦隔離電路光耦隔離電路選用單通道高速光耦合器6N137，其電路原理如圖4所示。信號(hào)從引腳2和3輸入，輸入端有兩種接法，分別得到反相或同相邏輯傳輸。本系統(tǒng)采用同相邏輯傳輸，引腳3接輸入信號(hào)，引腳2接高電平。單片機(jī)輸出兩路PWM波通過(guò)兩路光耦隔離電路，方波信號(hào)由引腳3輸入，輸出為Port2。

3.4驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)產(chǎn)生的電流無(wú)法滿(mǎn)足線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)的要求，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)線(xiàn)圈前端信號(hào)進(jìn)行放大，可提供給負(fù)載的最大電流為2 A，電壓為36 V。本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用控制器L298作為驅(qū)動(dòng)電路主芯片，圖5為驅(qū)動(dòng)電路原理圖。使能輸入端ENA接AVR單片機(jī)PD3口，當(dāng)PD3口為高電平時(shí)芯片使能，引腳5和7為輸入端，分別接兩路方波信號(hào)，引腳2和3為輸出端用來(lái)連接負(fù)載線(xiàn)圈。當(dāng)L298從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)時(shí)會(huì)形成反向電流，電路中的4個(gè)二極管起到保護(hù)芯片的作用。

3.5電磁轉(zhuǎn)換電感線(xiàn)圈將驅(qū)動(dòng)電路輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的幅值調(diào)制磁信號(hào)。本系統(tǒng)中的電感線(xiàn)圈是由直徑為1.5 mm的漆包線(xiàn)在直徑40 mm的銅質(zhì)管道上單層繞制500匝。通電線(xiàn)圈內(nèi)的方波電流在管道內(nèi)部產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，在管道內(nèi)形成變頻電磁場(chǎng)。圖5驅(qū)動(dòng)電路

Fig.5Driving circuit

圖6電磁防垢除垢電路實(shí)物

Fig.6The photo of electromagnetic prevention

and foulingremoval system

圖7電磁防垢除垢電路程序流程圖

Fig.7The flow chart of the program for electromagnetic

prevention and foulingremoval circuit

4系統(tǒng)電路板級(jí)實(shí)現(xiàn)

4.1電路布局布線(xiàn)電磁防垢除垢電路電源線(xiàn)和地線(xiàn)形成電流回路驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路系統(tǒng)，流經(jīng)電流較大，應(yīng)盡量減小導(dǎo)線(xiàn)的分布電阻，同時(shí)為了得到較為平坦的零電勢(shì)點(diǎn)，增大電源線(xiàn)和地線(xiàn)寬度為0.75 mm。在元器件布局過(guò)程中考慮到LM2576電源芯片工作時(shí)發(fā)熱量高，放置該芯片于PCB板靠近邊緣處，且在LM2576芯片的下方添加焊盤(pán)加快散熱速度?？紤]到電磁兼容性及電路內(nèi)部模塊之間相互干擾，在便于信號(hào)流通的前提下，將各信號(hào)處理芯片分散排布于整塊PCB板上。為了減少外界噪聲干擾，PCB板上濾波電容放置于距離芯片信號(hào)輸入管腳處，對(duì)PCB電路板進(jìn)行覆銅，外加屏蔽殼處理。圖6為電磁防垢除垢電路實(shí)物圖。

4.2代碼設(shè)計(jì)電磁防垢除垢電路程序流程圖如圖7所示。本系統(tǒng)選用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，工作模式為占空比和頻率均可調(diào)的相位修正PWM，該模式下的PWM頻率f可由如下公式獲得，即f=fclk2·N·TOP式中：fclk為時(shí)鐘頻率；N為預(yù)分頻因子（18、64、256或1 024）；TOP為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)序列的最大值，其值可以為固定值0x00FF、0x01FF、0x03FF，或是存儲(chǔ)于寄存器OCR1A或ICR1里的數(shù)值。5系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

5.1變頻信號(hào)特征檢測(cè)用示波器跟蹤檢測(cè)，得到占空比為50%，頻率在0 Hz～6 MHz隨時(shí)間變化而變化的方波信號(hào)。圖8和圖9是利用示波器檢測(cè)到電磁信號(hào)發(fā)生裝置在30 min內(nèi)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的波形圖。兩幅圖中的信號(hào)均為方波信號(hào)，時(shí)間差為12 min，頻率由174.062 kHz變成2.515 MHz，滿(mǎn)足變頻特性。

圖8頻率為174.062 kHz信號(hào)波形

Fig.8The waveform of the signal with

174.062 kHz frequency圖9頻率為2.515 MHz信號(hào)波形

Fig.9The waveform of the signal with

2.515 MHz frequency

5.2電磁場(chǎng)特性檢測(cè)圖10為方波信號(hào)從0 Hz～6 MHz變化過(guò)程中，利用高斯計(jì)對(duì)管道中心位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。由圖10可知，方波頻率在500 kHz以?xún)?nèi)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著方波頻率的增大而增大；當(dāng)方波頻率大于500 kHz時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.8～1.2 mT范圍內(nèi)波動(dòng)。說(shuō)明通電后的電感線(xiàn)圈產(chǎn)生了電磁場(chǎng)，且達(dá)到穩(wěn)定后電磁場(chǎng)強(qiáng)度維持在一定范圍內(nèi)。

5.3除垢防垢特性檢測(cè)選用銅管作為水流管道，試驗(yàn)前標(biāo)記水管質(zhì)量。使含有碳酸鈣和碳酸鎂的溶液流過(guò)水管并形成水垢[10]，再次記錄水管質(zhì)量并計(jì)算結(jié)垢量為2.5 g。將變頻電磁場(chǎng)發(fā)生裝置安裝在測(cè)試水管上，每隔3 h測(cè)量一次水管質(zhì)量。得到除垢量與時(shí)間的關(guān)系如圖11所示。從圖11可以看出，該裝置連續(xù)除垢接近20 h時(shí)，除垢量約為2.5 g且水管內(nèi)部無(wú)新的水垢產(chǎn)生，達(dá)到了除垢防垢的目的。

圖10方波信號(hào)頻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

Fig.10The relationship between the frequency of

the square wave signal and the magnetic induction圖11除垢量與時(shí)間的關(guān)系

Fig.11The relationship between foulingremoval

amount and time

6結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的變頻電磁信號(hào)發(fā)生電路，該裝置克服了傳統(tǒng)防垢除垢裝置系

統(tǒng)復(fù)雜、效率低等除垢防垢效果不理想的弊端，解決了單一頻率電磁信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)變頻共振從而引起除垢低效或除垢失敗的問(wèn)題。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了防垢除垢系統(tǒng)方案的可行性，整個(gè)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、便于操作，僅需36 V直流電源即可正常工作。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：程愛(ài)婕）